本發(fā)明涉及高精度室內定位領域，特別是指一種基于UWB技術的室內定位方法。

背景技術：

在無線通信技術中，通信碰撞的問題是長久以來一直存在的問題，而對于UWB室內定位技術，要做到對大量標簽可靠定位的效果，必須實現(xiàn)標簽的防碰撞，目前無線通信中的防碰撞處理，主要有以下幾種方法：

現(xiàn)有技術一

頻分多路法：即把若干使用不同載波頻率的傳輸通路同時供通信用戶使用的技術。一個標簽閱讀器包含多個頻段的接收通路，每個通路間不會受到其他接收通路的影響，響應的標簽也人為的分配一個固定的通路，多個不同通路的標簽，與閱讀器通信互相不受影響。

現(xiàn)有技術一的缺點：

技術成本高，每個信號接收通路必須使用單獨的接收器件，相比單個信號接收通路的設備，成本大大提高；另外標簽的信號通路多樣，使用差異性大，對管理成本也非常高；對于UWB應用來講，由于UWB帶寬大(500MHz帶寬，即通信通路的寬度)，可使用的通信通路非常少，在閱讀器識別區(qū)域內若有大量標簽則防碰撞效果大大降低。

現(xiàn)有技術二

時分多路法：即基于純ALOHA算法進行無線通信防碰撞處理的方法。純ALOHA算法是一種數(shù)據(jù)信號隨機接入的方法，每個標簽周期性的循環(huán)將數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器，多個標簽在不同的時間段上發(fā)送數(shù)據(jù)，對每個標簽來說發(fā)送數(shù)據(jù)的所占用的時間遠比循環(huán)的周期要小很多，故可以在周期內隨機取一個時間點發(fā)送數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有技術二的缺點：

純ALOHA算法的效率較低，其通用計算公式為：

假設隨機發(fā)送的數(shù)據(jù)分布符合泊松分布，設吞吐量S為在幀的發(fā)送時間T0內成功發(fā)送的平均幀數(shù)；網絡負載G為在T0內總共發(fā)送的平均幀數(shù)。

則：吞吐量S＝G*e^-2G極大值為G＝0.5時，S＝0.184

從上式可見，當所有標簽發(fā)射的信號在空中傳輸所占用的總時間小于0.184即18.4％(以1秒為列，通信總時間僅占0.184秒)時標簽數(shù)據(jù)在空中成功傳輸數(shù)據(jù)的概率將大大提高，據(jù)統(tǒng)計約為97％，但是18.4％的通信效率非常低，當閱讀器識別范圍內標簽較少時，可很好的工作，當閱讀器識別范圍內標簽較多,空中傳輸所占用的總時間超過18.4％時，信號的碰撞幾率將大大提高，通信效率大大降低。

傳統(tǒng)的有源RFID標簽，基于功耗以及使用壽命的考慮，常使用簡單的純ALOHA法，即標簽隔隨機時間向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，但是對于UWB技術的應用，在標簽發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，若有其他標簽也在發(fā)送數(shù)據(jù)，則閱讀器端接收到的信號有可能發(fā)生部分碰撞、完全碰撞，如圖3所示。由于UWB技術需要對標簽進行精度較高的定位，故如果標簽較多碰撞幾率較大，不僅會影響數(shù)據(jù)接收，還會影響定位精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種成本低、信號碰撞幾率小、不影響數(shù)據(jù)接收、定位精度高，以及能夠實現(xiàn)標簽容量擴充的基于UWB技術的室內定位方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供技術方案如下：

一種基于UWB技術的室內定位方法，用于無線定位系統(tǒng)，所述無線定位系統(tǒng)包括上位機和能夠與所述上位機進行無線通信的第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站，以及能夠采用時隙型S-ALOHA算法與所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站進行無線通信的若干待定位標簽，所述方法包括：

步驟1：所述第一UWB基站向第二UWB基站、第三UWB基站和待定位標簽發(fā)送時間同步信息，實現(xiàn)所述第二UWB基站、第三UWB基站和待定位標簽與所述第一UWB基站的時間同步；

步驟2：所述待定位標簽根據(jù)時隙型ALOHA算法，向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息；

步驟3：所述第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收所述待定位標簽發(fā)送的自身設備信息，并將該信息上傳至所述上位機；

步驟4：所述上位機對獲得的信息進行計算，并結合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的實際位置，實現(xiàn)對所述待定位標簽的位置定位。

進一步的，所述步驟1之后，包括：

步驟11：所述第一UWB基站初始化數(shù)據(jù)，并設定發(fā)送時間同步信息的一個周期的時間。

進一步的，所述步驟2進一步為：

經過時間同步后的所述待定位標簽在所述第一UWB基站發(fā)送時間同步信息的一個周期內，選取隨機的時間片，在時間到達選取的時間片時，所述待定位標簽向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息。

進一步的，所述步驟1之前，包括：

步驟0：所述待定位標簽開啟低功耗接收狀態(tài)；

所述步驟2之后，包括：

步驟21：所述待定位標簽進行休眠補時，休眠補時結束后，所述待定位標簽重新開啟低功耗接收狀態(tài)。

進一步的，所述休眠補時的時間等于所述第一UWB基站發(fā)送時間同步信息的一個周期的時間減去所述待定位標簽選取的隨機時間片的時間。

進一步的，所述步驟4包括：

所述上位機根據(jù)所述第一UWB基站和第二UWB基站接收到所述待定位標簽發(fā)送的自身設備信息的時間計算第一雙曲線，所述上位機根據(jù)所述第二UWB基站和第三UWB基站接收到所述待定位標簽發(fā)送的自身設備信息的時間計算第二雙曲線，所述第一雙曲線和第二雙曲線交于一點，再根據(jù)第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的實際位置，計算得出待定位標簽的位置信息。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的UWB技術不適用現(xiàn)有技術中的頻分多路法，因此不會造成設備成本和管理成本高的問題。本發(fā)明中，首先通過第一UWB基站對室內的待定位標簽進行時間同步，根據(jù)UWB定位技術對接收信號的處理特性，則不會出現(xiàn)接收信號時間出現(xiàn)錯誤的情況。而且，本發(fā)明中，待定位標簽采用時隙型S-ALOHA算法向第一、第二和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息，即待定位標簽在不同的時間片段內向UWB基站發(fā)送自身設備信息，這樣，避免了現(xiàn)有技術中采用純ALOHA算法，在連續(xù)的時間上發(fā)送信號導致的部分碰撞的情況，從而降低了信號的碰撞幾率，避免了影響數(shù)據(jù)接收的情況，提高了待定位標簽的定位精度，不僅如此，本發(fā)明中采用的時隙型S-ALOHA算法能夠在純ALOHA算法的基礎上將數(shù)據(jù)的吞吐量提升一倍，進而使待定位標簽容量的擴充。

綜上，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有成本低、信號碰撞幾率小、不影響數(shù)據(jù)接收、定位精度高，以及能夠實現(xiàn)標簽容量擴充的特點。因此，本發(fā)明能夠實現(xiàn)對大量待定位標簽的精確定位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于UWB技術的室內定位方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于UWB技術的室內定位方法的對待定位標簽進行坐標定位的坐標示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術中采用純ALOHA算法的信號碰撞的原理示意圖；

圖4為本發(fā)明的基于UWB技術的室內定位方法的采用S-ALOHA算法的信號碰撞的原理示意圖；

圖5為本發(fā)明的基于UWB技術的室內定位方法的UWB基站接收信號的幀結構；

圖6為本發(fā)明的基于UWB技術的室內定位方法的一種實施例的待定位標簽工作流程示意圖；

圖7為本發(fā)明的基于UWB技術的室內定位方法的一種實施例的第一UWB基站工作流程示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

一方面，本發(fā)明提供一種基于UWB技術的室內定位方法，用于無線定位系統(tǒng)，無線定位系統(tǒng)包括上位機和能夠與上位機進行無線通信的第一UWB基站、第二UWB基站、第三UWB基站，以及能夠采用時隙型S-ALOHA算法與第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站進行無線通信的若干待定位標簽，如圖1所示，方法包括：

S1：第一UWB基站向第二UWB基站、第三UWB基站和待定位標簽發(fā)送時間同步信息，實現(xiàn)第二UWB基站、第三UWB基站和待定位標簽與第一UWB基站的時間同步；

由于后續(xù)步驟中，待定位標簽需要采用S-ALOHA算法向第一、第二和第三基站發(fā)送自身設備信息，需要保證所有標簽都有同樣的參考時間；而且，上位機需要采用UWB算法的TDOA技術對待定位標簽進行位置定位，需要第一、第二和第三UWB基站之間實現(xiàn)時間同步。所以本步驟實現(xiàn)了第二UWB基站、第三UWB基站和待定位標簽與第一UWB基站的時間同步。另外，本步驟中，由于第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站與待定位標簽均實現(xiàn)時間同步，所以在后續(xù)對待定位標簽進行位置定位時，即可使用UWB算法的TDOA技術，也可使用UWB算法的TOF技術，使兩種技術兼容。

S2：待定位標簽根據(jù)時隙型ALOHA算法，向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息；

本步驟中，根據(jù)需要管理的待定位標簽數(shù)量，可用UWB算法的信號到達時間差算法(TDOA)對待定位標簽進行管理。在TDOA模式下由于其調制以及編碼的特性，每秒可以對幾百個標簽進行精確定位，但是如果信號在傳輸過程中碰撞，則無法對碰撞的標簽進行精確定位。因此，本步驟中，使用時隙型ALOHA(S-ALOHA)算法來提升數(shù)據(jù)吞吐量，S-ALOHA算法把連續(xù)的時間分成離散的時間段，使每個待定位標簽都在不同的時間段發(fā)送數(shù)據(jù)，則每個待定位標簽即使出現(xiàn)碰撞，也屬于完全碰撞，不會出現(xiàn)部分碰撞的情況。S-ALOHA算法的吞吐量公式為：

S＝G*e^-G

當G＝1時，S的極大值為S＝0.368，因此，S-ALOHA算法能夠將數(shù)據(jù)吞吐量提升一倍。

下面列表中列出使用UWB芯片在純ALOHA方法下，不同傳輸速率、不同preamble長度、同樣傳輸負載長度下和一幀信號傳輸?shù)臅r間，以及小于18％空中利用率的對應值：

由上表可見，若使用6.8Mbps傳輸速率，64個symbles，1秒鐘理論上可傳輸1742個標簽，且不會在空中碰撞，這意味著1秒鐘可對1742個待定位標簽進行定位。若采用S-ALOHA算法則理論上每秒可以對3484個待定位標簽進行定位。

S3：第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收待定位標簽發(fā)送的自身設備信息，并將該信息上傳至上位機；

本步驟中，第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站通過接收待定位標簽的自身設備信息，即可獲取待定位標簽的發(fā)送信息的時間，以及第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站接收到待定位標簽的自身設備信息的時間，并將這些信息上傳至上位機，為后續(xù)上位機采用UWB算法對待定位標簽進行位置定位提供了條件。

S4：上位機對獲得的信息進行計算，并結合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的實際位置，實現(xiàn)對待定位標簽的位置定位。

本步驟中，上位機可以通過UWB定位算法的TDOA技術對待定位標簽的位置進行計算，并結合第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的實際位置，從而獲取待定位標簽的位置信息。

UWB高精度室內定位原理：

UWB高精度室內定位技術的原理是根據(jù)信號在空中飛行的時間來進行定位，其定位精度可達30cm。

其中，TDOA技術是利用待定位標簽發(fā)出信號到達兩個不同的UWB基站的時間差來確定待定位標簽在空間中的位置的，只需要在UWB基站之間進行時間同步。例如：假設待定位標簽發(fā)出信號的時間為T0，此時待定位標簽位置未知，UWB基站1接收到信號的時間為T1，UWB基站2接收到信號的時間為T2，則可得以下公式：

d1＝C×(T1-T0) (1)

d1為待定位標簽到UWB基站1的距離

d2＝C×(T2-T0) (2)

d2為待定位標簽到UWB基站2的距離

則信號達到UWB基站1和UWB基站2的距離差為：

d21＝C*(T1-T0)-C*(T2-T0)＝C*(T1-T2) (3)

根據(jù)UWB基站的實際坐標位置(已知)和公式(3)，可繪制出一條雙曲線。同理，當有3個UWB基站時，根據(jù)任意兩個不同UWB基站接收待定位標簽信息的時間均可繪制出兩條雙曲線，例如圖2中d21和d31兩個條雙曲線，這兩條雙曲線交于一點，該點即為標簽位置。TDOA技術不需要UWB基站與待定位標簽之間進行時間同步，僅僅在UWB基站之間同步即可。

與TDOA技術不同，TOF定位技術不是計算待定位標簽到達不同UWB基站的時間差，而是僅需要計算待定位標簽到達UWB基站的時間，根據(jù)時間進而計算出待定位標簽到達UWB基站的距離，即公式(1)中的d1或公式(2)中的d2，即可定位，但需要待定位標簽與UWB基站之間進行時間同步。

本發(fā)明的UWB技術不適用現(xiàn)有技術中的頻分多路法，因此不會造成設備成本和管理成本高的問題。本發(fā)明中，首先通過第一UWB基站對室內的待定位標簽進行時間同步，根據(jù)UWB定位技術對接收信號的處理特性，則不會出現(xiàn)接收信號時間出現(xiàn)錯誤的情況。而且，本發(fā)明中，待定位標簽采用時隙型S-ALOHA算法向第一、第二和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息，即待定位標簽在不同的時間片段內向UWB基站發(fā)送自身設備信息，這樣，避免了現(xiàn)有技術中采用純ALOHA算法，在連續(xù)的時間上發(fā)送信號導致的部分碰撞的情況，從而降低了信號的碰撞幾率，避免了影響數(shù)據(jù)接收的情況，提高了待定位標簽的定位精度，不僅如此，本發(fā)明中采用的時隙型S-ALOHA算法能夠在純ALOHA算法的基礎上將數(shù)據(jù)的吞吐量提升一倍，進而使待定位標簽容量的擴充。

綜上，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有成本低、信號碰撞幾率小、不影響數(shù)據(jù)接收、定位精度高，以及能夠實現(xiàn)標簽容量擴充的特點。因此，本發(fā)明能夠實現(xiàn)對大量待定位標簽的精確定位。

本發(fā)明中，由于UWB技術通信的帶寬(超過500MHz帶寬)決定其無法有效的使用頻分技術解決信號傳輸碰撞問題，而純ALOHA算法，通信的效率很低且應用于UWB中由于碰撞會影響定位精度。所以，本發(fā)明中，為解決現(xiàn)有技術中防碰撞方法識別率較低的問題，提升標簽識別容量，采用時隙型ALOHA(S-ALOHA)算法提升標簽識別容量。

作為本發(fā)明的一種改進，S1之后，包括：

S11：第一UWB基站初始化數(shù)據(jù)，并設定發(fā)送時間同步信息的一個周期的時間。

本發(fā)明中，由于需要實時對定位環(huán)境內的待定位標簽進行定位，所以第一UWB基站周期性地向第二UWB基站和第三UWB基站和待定位標簽發(fā)送時間同步信息。優(yōu)選的，發(fā)送時間同步信息的周期可以為1秒。

具體的，S2進一步為：

經過時間同步后的待定位標簽在第一UWB基站發(fā)送時間同步信息的一個周期內，選取隨機的時間片，在時間到達選取的時間片時，待定位標簽向第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息。

本發(fā)明中，為待定位標簽采用S-ALOHA算法向UWB基站發(fā)送自身設備信息的具體實現(xiàn)方法。若待定位標簽采用的純ALOHA算法向UWB基站發(fā)送信息，則在連續(xù)的時間上待定位標簽發(fā)送的信息很容易發(fā)生碰撞，如圖3所示。但若待定位標簽采用S-ALOHA算法向UWB基站發(fā)送信息，發(fā)送信息的時間將分布在不同時間片中，則信息碰撞幾率將大幅度降低，如圖4所示。

作為本發(fā)明的進一步改進，S1之前，包括：

S0：待定位標簽開啟低功耗接收狀態(tài)；

S2之后，包括：

S21：待定位標簽進行休眠補時，休眠補時結束后，待定位標簽重新開啟低功耗接收狀態(tài)。

本發(fā)明中，待定位標簽是被動發(fā)送自身同步信息的，待定位標簽在未接受到時間同步信息時，處于低功耗狀態(tài)，并且待定位標簽休眠補時結束后，重新開啟低功耗接收狀態(tài)。這樣，能夠降低待定位標簽的運行功耗，延長待定位標簽的工作時間。

優(yōu)選的，休眠補時的時間等于第一UWB基站發(fā)送時間同步信息的一個周期的時間減去待定位標簽選取的隨機時間片的時間。

具體的，S4包括：

上位機根據(jù)第一UWB基站和第二UWB基站接收到待定位標簽發(fā)送的自身設備信息的時間計算第一雙曲線，上位機根據(jù)第二UWB基站和第三UWB基站接收到待定位標簽發(fā)送的自身設備信息的時間計算第二雙曲線，第一雙曲線和第二雙曲線交于一點，再根據(jù)第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站的實際位置，計算得出待定位標簽的位置信息。

本發(fā)明中，不考慮硬件性能對定位精度的影響，如較高的傳輸速率，會減低定位精度；較長的preamble，可提升定位精度等，僅研究技術手段，在不影響定位精度的前提下提高標簽容量。

如果待定位標簽發(fā)送的信號之間出現(xiàn)碰撞，有兩個影響：UWB基站對碰撞的待定位標簽信號無法接收到；UWB基站的信號接收時間可能出現(xiàn)誤差。這是由于，從UWB高精度室內定位原理可知，定位精度的關鍵在于UWB基站接收信號的精確性以及不同UWB基站之間的時間同步誤差。如圖5所示的幀結構，該幀結構符合IEEE802.15.4UWB標準，其中，preamble為前導序列(preamble滿足IEEE STD：64、1024或4096symbols，Extra：128、256、512、1536或2048symbols)，SFD為幀起始定界符(SFD滿足IEEE STD：8或64symbols，Extra：16symbols)，PHR為物理層頭(PHR為21bits)，Date為有效數(shù)據(jù)(Date滿足IEEE STD：Up to 127coded octets，Extra：Up to 1023coded octets)，UWB基站接收信號的時間在幀結構的SFD最后一個symbol接收完成，PHR接收前獲取，因此，若碰撞的信號較多，則接收信號的時間很有可能出現(xiàn)接收錯誤的情況，導致定位精度變差。所以本發(fā)明使用S-ALOHA算法，各個待定位標簽的時間同步了，出現(xiàn)的時間誤差僅為在preamble長度內，根據(jù)UWB芯片對接收信號的處理特性，就不會出現(xiàn)接收信號時間出現(xiàn)錯誤的情況，而且同時也提高了標簽的容量。

下面，本發(fā)明提供一個具體的實施例，在具體實施時可以參照如下步驟進行：

在UWB室內定位環(huán)境下，包括3個UWB基站，分別為第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站，且該3個UWB基站需要時間同步，故僅選出其中一個UWB基站作為時間同步信息的發(fā)送端，例如，該時間同步信息的發(fā)送端為第一UWB基站，這里簡稱為Atx。工作時，第一UWB基站初始化時，第一UWB基站每隔固定周期向外廣播一個時間同步信息，該信息即提供給不發(fā)送時間同步信息的另外兩個UWB基站(第二UWB基站和第三UWB基站)，這里將第二UWB基站和第三UWB基站均簡稱為Arx，同時，第一UWB基站也向待定位標簽發(fā)送時間同步信息，使定位環(huán)境范圍內所有的UWB基站和待定位標簽都時間同步。本實施例中，Atx既有接收數(shù)據(jù)信息功能的作用，也有發(fā)射數(shù)據(jù)信息功能的作用，而Arx可以僅具有接收數(shù)據(jù)信息功能的作用。

由于待定位標簽采用S-ALOHA算法向UWB基站發(fā)送自身設備信息，需要保證定位環(huán)境內的所有待定位標簽都有同樣的參考時間，所以需要對每個待定位標簽進行時間同步，待定位標簽的時間是由芯片內部的定時器產生，通過第一UWB基站發(fā)送一個同步信息，由待定位標簽接收后重置芯片內部的定時器達到時間同步。

待定位標簽是被動接收時間同步信息的，待定位標簽在未接收到Atx發(fā)送的時間同步信息時，均處于低功耗接收狀態(tài)，等待接收Atx發(fā)送的時間同步信息，當接收到Atx的時間同步信息后，此時待定位標簽與Atx、Arx均時間同步，而后在第一UWB基站發(fā)送時間同步信息的一個周期時間(優(yōu)選為1秒)內，取隨機的時間片，在到達隨機的該時間片時，待定位標簽向第一、第二和第三UWB基站發(fā)送自身數(shù)據(jù)信息，第一、第二和第三UWB基站接收到待定位標簽的自身數(shù)據(jù)信息，即可獲取待定位標簽的發(fā)送信息的時間，以及第一UWB基站、第二UWB基站和第三UWB基站分別接收到待定位標簽的自身設備信息的時間，第一、第二和第三UWB基站將這些信息上傳至上位機，上位機采用UWB算法的TDOA技術計算出待定位標簽的精確位置。

上述過程中，對于待定位標簽：

如圖6所示，待定位標簽開始時，處于低功耗接收狀態(tài)，然后判斷是否接收到時間同步信息，如果否，則繼續(xù)保持低功耗接收狀態(tài)，如果是，則關閉低功耗狀態(tài)，然后在1秒內取隨機時間片段，然后判斷隨機時間片段是否到達，如果否，則在規(guī)定時間內繼續(xù)判斷，如果是，則向第一、第二和第三UWB基站發(fā)送自身設備信息，待定位標簽發(fā)送完成后，進行休眠補時(例如隨機取到0.5秒，則補時的時間為1秒-0.5秒＝0.5秒)，補時結束后，內部的定時器重置，待定位標簽重新開啟低功耗接收狀態(tài)，等待再一次接收時間同步信息；

對于Atx：

如圖7所示，Atx向另外兩個Arx和待定位標簽主動發(fā)送時間同步信息，然后Atx進行初始化，并定時發(fā)送時間同步信息的周期為1秒，完成后，立即Atx開啟接收狀態(tài)，開始接收信息，然后Atx判斷是否接收到待定位標簽發(fā)出的自身設備信息，如果否，則在規(guī)定時間內繼續(xù)判斷，如果是，則將接收到的數(shù)據(jù)信息上傳給上位機，上述過程執(zhí)行完成后，判斷1秒定時時間是否到達，如果否，則返回開始接收信息步驟繼續(xù)接收信息，如果是，則Atx再一次向另外兩個Arx和待定位標簽發(fā)送時間同步信息，然后返回初始化步驟重新執(zhí)行。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。